La fissuration du béton à jeune âge est encore aujourd'hui un problème répandu dans les différents ouvrages et les moyens de s'en affranchir sont parfois difficiles à identifier. Un béton à faible E/C par exemple, aura une grande résistance mécanique, mais présentera cependant un retrait plus rapide. En condition de mouvement restreint, ce qui est le plus fréquent, les contraintes induites par ce retrait peuvent rapidement atteindre un niveau critique et conséquemment, générer de la fissuration. Le béton projeté n'échappe pas à cette réalité; son contenu généralement riche en ciment combiné à une mise en place unique peuvent le rendre encore plus vulnérable à la fissuration. Ce mémoire se consacre donc à l'étude du comportement déformationnel du béton projeté et à l'amélioration de sa résistance vis-à-vis de la fissuration causée par le retrait restreint. Afin de bien cerner l'impact des différentes composantes et caractéristiques du béton, l'étude expérimentale a été divisée en trois parties. La première repose sur l'étude du béton à son état le plus simple, soit des mélanges ne comportant que des granulats, du ciment et de l'eau. La seconde partie traite des bétons avec ajouts cimentaires (fumée de silice et cendre volante) tandis que la dernière phase porte sur l'effet des adjuvants réducteurs de retrait et des polymères. Les résultats obtenus permettent de bien illustrer l'effet des différents paramètres sur la sensibilité à la fissuration. / Early age concrete cracking is still today a widespread problem in various structures and the means to overcome it completely are sometimes difficult to identify. A low W/C concrete, for example, will have high mechanical strength, but will nevertheless undergo faster shrinkage. In restricted conditions, which is mostly the case on site, the stresses induced by this shrinkage can quickly reach a critical level and consequently generate cracking. Shotcrete is no exception to this reality; its generally high cement content combined with a unique placement method can make it even more vulnerable to cracking. This thesis is therefore devoted to the study of the deformational behavior of shotcrete and to the improvement of its resistance to cracking caused by restricted shrinkage. To clearly identify the impact of the different components and characteristics of the concrete, the experimental study was divided into three parts. The first is based on the study of concrete in its simplest state, i.e., mixtures comprising only aggregates, cement and water. The second part deals with concretes with cementitious additions (silica fume and fly ash) while the last phase deals with the effect of shrinkage-reducing admixtures and polymers. The results obtained make it possible to clearly illustrate the effect of the various parameters on the sensitivity to cracking.

Un outil informatique, appelé « Laval Reliability Toolbox 2 » (LRT2), a été développé afin d’évaluer, en fonction du temps, l’évolution de l’indice de fiabilité d’un pont en béton armé selon divers paramètres d’utilisation et d’endommagement. L’outil présenté innove en considérant la fiabilité des états limites ultimes de flexion et de cisaillement des poutres ainsi que le poinçonnement de la dalle. Les différents éléments structuraux forment un système utilisé pour représenter le mode de défaillance du pont. Un modèle d’endommagement permet de simuler l’évolution dans le temps des propriétés d’une structure soumise à la corrosion causée par l’application de sels déglaçants : la corrosion cause une diminution du diamètre des barres d’armatures touchées et la délamination du béton d’enrobage. L’outil développé a été utilisé pour comparer la fiabilité de ponts à simple travée ayant deux, trois, cinq et six poutres soumis à différents scénarios d’endommagement. Il est aussi démontré qu’il est pertinent d’étudier les poutres dans leur ensemble puisque la fiabilité des différents états limites varie le long de celles-ci. Il est démontré que le fait d’ignorer les corrélations entre les éléments structuraux surestime la fiabilité de structures peu redondantes, modélisées par des systèmes en série, et sous-estime la fiabilité de structures redondantes, modélisées par des systèmes mixtes. L’étude des scénarios d’endommagement met en évidence l’existence de sections et de modes de rupture qui, si endommagés, influencent grandement la fiabilité de la poutre. Enfin, des cycles de performance peuvent être définis afin de déterminer la durée de vie d’un pont, c’est-à-dire de déterminer le moment où il atteindra son indice de fiabilité cible et de déterminer les moments où certains endommagements surviendront. Cette méthodologie pourrait, à terme, constituer une aide à la gestion des structures visant à faciliter le choix des interventions prioritaires. / A computer program, named « Laval Reliability Toolbox 2 » (LRT2), was developed in order to evaluate a time-variant reliability index for a reinforced concrete bridge while considering various usage and damage parameters. This tool pioneers by considering the reliability of three ultimate limit states: flexure and shear for beams and punching shear for the slab. In order to represent the failure mode of the bridge, system reliability analysis is used to model the structure as a system. A damage model predicts in time the properties of a structure undergoing corrosion caused by the application of de-icing salts: corrosion causes a reduction of the rebar’s diameter and spalling of the concrete cover. This computer tool was used to compare the reliability of bridges with two, three, five and six girders undergoing different damaging scenarios. Results show the importance of considering a spatial-variant reliability index for a girder. It is also shown that ignoring possible correlation among structural elements overestimates the reliability of low-redundant structures, modelled as series systems, and underestimates the reliability of high-redundant structures, modelled as complex systems. The study of homogeneous and non-homogeneous damaging scenarios shows the existence of corrosion-sensitive sections and failure modes that, if damaged, affect significantly the reliability of the bridge. Lastly, performance cycles were defined in order to evaluate the life service of a bridge, which is to estimate the time when the bridge will get below its target reliability index and to estimate when certain damages will occur. This type of methodology enables the prediction of a structure’s lifetime performance; it could facilitate the management of structures operations by making possible the comparison of multiple bridges performance.

Le béton projeté est une méthode de mise en place rapide, économique et polyvalente qui offre de multiples avantages par rapport au béton conventionnel dans divers types de constructions nouvelles et dans les réparations. Un des grands avantages du béton projeté est de permettre une mise en place sur des surfaces fortement irrégulières en utilisant peu on même aucun coffrage. Cependant, ces mêmes caractéristiques rendant le béton projeté avantageux et polyvalent peuvent le rendre vulnérable à la fissuration due au retrait restreint. Cette vulnérabilité vient de la restriction élevée inhérente à de nombreuses applications (projection adhérente sur substrat rigide). En effet, le béton développera des contraintes internes s’il ne peut manifester ses changements volumétriques librement, ce qui peut conduire à de la fissuration lorsque ces contraintes atteignent la résistance en traction du matériau. La fissuration des réparations due au retrait restreint est sans aucun doute un des plus grands défis auxquels l’industrie des réparations en béton fait face aujourd’hui. La fissuration peut raccourcir les années de service d’une structure en béton (corrosion accélérée, délamination, etc.) et engendre souvent des coûts des maintenances supplémentaires importants. Il existe peu d’informations fiables dans la littérature sur les paramètres qui influencent la fissuration due au retrait restreint des bétons projetés ainsi que sur leur comportement à long terme en service. Ce manque d’informations à propos de l’influence des différentes composantes du mélange et de la mise en place des bétons projetés rend difficile, voire impossible, la prédiction du comportement à long terme des bétons projetés face aux problèmes de fissuration. De plus, l’ensemble des paramètres individuels affectant la fissuration due au retrait restreint est très difficile à identifier. Pour cette raison, il est devenu impératif de caractériser le comportement volumétrique des bétons projetés au moyen d’essais de retrait restreint. Dans cette thèse, l’évolution de différentes propriétés à l’état frais et durci telles que la consistance de projection, le rebond, la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage, le module élastique, le retrait libre et le retrait restreint est étudiée. Ce projet se concentre particulièrement sur les mélanges et leur composition, la méthode de mise en place et le potentiel de fissuration due au retrait restreint. Le potentiel de fissuration sera évalué au moyen d’une procédure d’essai annulaire qui a récemment été adaptée et amélioré pour les bétons projetés. À partir des données expérimentales générées, une analyse approfondie du développement des contraintes et de la résistance à la fissuration des bétons projetée sera conduite. / Shotcrete is a fast, cost-saving, sustainable and versatile concrete placement method that offers numerous advantages over conventional concrete in a variety of new construction and repair works. One of the major benefits of the shotcrete process is that it can be sprayed over irregular surfaces and can cover large surfaces with little or no formwork. Howbeit, these same versatile features also often make shotcrete vulnerable to restrained shrinkage cracking. Cracking occurs mainly because of the highly restrained conditions that are inherent in many shotcrete applications (spraying on a rigid substrate). If shrinkage is restrained, internal tensile stresses are progressively induced in the element which can lead to cracking when the stresses eventually exceed the tensile strength of the material. Cracking of repair materials is unarguably one of the major challenges facing the repair industry worldwide today. Cracking can shorten the service life of concrete structures (accelerated corrosion, delamination, etc.) and often requires significant additional costly maintenance. Yet, reliable material data on parameters that influence the longterm service life and cracking in-place shotcrete is scarce. This lack of information on the influence of mixture composition as well as the placement process makes it difficult, if not impossible, to predict the long-term cracking behaviour of shotcrete. Furthermore, key mixture parameters that lead to cracking have been very difficult to identify. For this reason, it has become imperative for material characterization to be made on the basis of a restrained shrinkage test. In this thesis, different fresh and hardened shotcrete properties such as spraying consistency, rebound, compressive strength, splitting tensile strength, elastic modulus, free shrinkage, and restrained shrinkage deformation are investigated. The project focuses particularly on mix designs and compositions, placement process and the potential for cracking due to restrained shrinkage. The shrinkage ring test method which has been recently adapted and improved for shotcrete will be used to evaluate the cracking potential. Based on the experimental data that will be generated, an in-depth analysis of stress development and cracking resistance of shotcrete will be conducted.

Ce mémoire est consacré à l’étude des méthodes de cure et leurs impacts sur le retrait et la fissuration du béton projeté. Plus globalement, cette recherche traite de la problématique de la fissuration des réparations en béton. Généralement, les réparations en béton projeté génèrent rapidement de grandes surfaces de béton frais. Si elles sont mal protégées, les sollicitations liées au séchage peuvent mener à l’échec de la réparation. Une méthode de cure adéquate permet de prévenir la fissuration et d’augmenter la durabilité de la réparation. Beaucoup reste à faire en ce qui concerne les techniques de cure et de protection afin de déterminer celles qui fonctionnent vraiment. Afin d’évaluer l’apport bénéfique de différentes méthodes de cure sur le béton projeté, une méthode de mesure du retrait a été développée. Cette étape permet de combler l’absence de norme ou de méthode permettant aujourd’hui de mesurer le retrait du béton projeté et de quantifier en même temps l’impact bénéfique des méthodes de cure. Avec cette méthode, les différents produits de cure externe suivants ont été évalués et classés du plus efficace au moins efficace : un agent de cure et de scellement liquide semblable à ceux à base de solvant, un agent de cure et de scellement liquide à base d’eau, un retardateur d’évaporation et enfin, le moins efficace, un agent de cure liquide à membrane à base de résine. Par la suite, des produits de cure interne ont été testés avec la méthode de mesure développée. Les produits testés sont une fibre synthétique et une fibre de chanvre. La fibre synthétique apporte un bénéfice dès la mise en place. La fibre de chanvre semble avoir apporté des améliorations notables plus importantes vis-à-vis du retrait du béton à long terme. Finalement, une technique de cure fréquemment utilisée en chantier (jute humide et polythène) a été évaluée. Les résultats des essais de type chantier sont peu concluants et ne permettent pas d’apprécier l’apport bénéfique des paramètres testés en raison des particularités de la méthode de mesure. En conclusion, ce projet a rempli sa mission quant à la détermination des bénéfices des méthodes de cure sur le béton projeté. Il ouvre également la voie à de nombreuses applications et possibilités futures jusqu’alors non envisageable pour le béton projeté grâce à la méthode de mesure développée. / This thesis is devoted to the study of curing methods and their impacts on the shrinkage and cracking of shotcrete. More generally, this research deals with the problem of cracking of concrete repairs. Generally, shotcrete repairs quickly generate large areas of fresh concrete. If poorly protected, drying stress can lead to the failure of the repair. Curing methods prevent cracking and increase the durability of concrete repair. Much remains to be done with regard to cure and protection techniques to determine what really works. In order to evaluate the beneficial contribution of curing methods on shotcrete, a shrinkage measurement method is developed. This step makes it possible to fill the gap in the standards or methods used today to measure the shrinkage of shotcrete and at the same time to quantify the beneficial impact of curing methods on shrinkage. This method allows to start measuring shrinkage only 4 hours after placement. With this method, the following different external curing products are evaluated and classified from the most effective to the least effective : a solvent based liquid curing and sealing agent, a water-based liquid curing and sealing agent, an evaporation retarder and finally, the least effective, a resin-based membrane liquid curing agent. The solvent-based liquid curing and sealing agent provided the best results. Then internal curing products are tested with the developed measurement method. The products tested are synthetic fibre and a hemp fibre. Synthetic fibre brings an benefits as soon as the concrete is placed. Hemp fibre seems to have made more significant improvements in concrete shrinkage in the long term. Finally, a curing technique frequently used on site is evaluated. The results of this test are inconclusive and do not allow to assess the beneficial contribution of the tested parameters due to the particularities of the measurement method. In conclusion, this project fulfilled its mission to determine the beneficial effects of curing methods on shotcrete. It opens the way for many future applications and possibilities that were not previously possible for thanks to the measurement method developed.

Le béton projeté est une technologie en pleine expansion de plus en plus sollicitée pour des réparations de structures en béton. Au cours de la dernière décennie, des efforts considérables furent déployés pour accroître le niveau des connaissances fondamentales sur les propriétés du béton projeté, particulièrement pour le procédé de projection du béton par voie sèche. Malheureusement, très peu d'efforts de recherche furent axés sur le développement des connaissances de base reliées au procédé de projection par voie humide. Le développement et l'amélioration de la projection de béton par voie humide est n é c e s s a i r e dans un contexte où la demande pour ce matériau de réparation ne cesse de croître. De plus, puisque l'industrie se tourne vers des pompes ayant des boyaux de faibles diamètres (inférieurs à 38-mm), une réflexion approfondie sur cette méthode de mise en place basée sur l'analyse de données expérimentales fiables s'impose. L'utilisation adéquate du béton projeté par voie humide pour des applications de réhabilitation et de réparation nécessite une bonne connaissance de l'ensemble du procédé. L'objectif de ce projet de recherche est d'approfondir la compréhension des mécanismes impliqués dans le malaxage, le pompage et la mise en place du béton projeté par voie humide. D'après les besoins urgents manifestés par l'industrie, ce projet se concentre principalement sur les objectifs suivants : Appliquer une démarche scientifique à la conception des mélanges de béton afin d'améliorer la robustesse du béton projeté par voie humide pour maintenir les propriétés du béton frais dans le temps. Cette approche vise l'adaptation du procédé aux impondérables de la pratique tels que les délais d'attente, les températures élevées et le pompage avec des boyaux de faible diamètre. Étudier la cinétique de mise en place et les propriétés fondamentales du béton frais projeté par voie humide dans le but de développer des stratégies pour augmenter l'épaisseur de béton frais en place tout en minimisant le rebond sans avoir recours à un agent accélérateurs de prise. Améliorer la compréhension du rôle de l'air sur les propriétés de pompage et de l'effet du pompage sur les caractéristiques du réseau de bulles d'air résiduel afin d'introduire ces paramètres dans des modèles de prédiction de pompage existants. L'originalité de ce projet repose sur la résolution de problèmes techniques complexes par des approches scientifiques rigoureuses et fiables. C'est par la compréhension fondamentale du comportement des phases fluides et solides du béton lors de son transport par pompage et de sa mise en place que l'amélioration et l'optimisation du procédé de projection par voie humide sera possible.

Les bétons contenant des ajouts cimentaires subissent généralement d'importantes dégra-dations par écaillage lors des essais en laboratoire alors que le comportement de ces bé-tons en service est souvent satisfaisant. L'écaillage est influencé par une multitude de paramètres et les mécanismes responsables de ce type de dégradation demeurent mal compris. Les conditions de mise en place et de mûrissement généralement adoptées en laboratoire pourraient être responsables de la formation d'une couche superficielle de faible durabilité qui écaillerait à un taux plus rapide et qui serait plus profonde pour les bétons contenant des ajouts cimentaires. Ce projet de recherche propose une étude de l'influence de méthodes de mûrissement utilisées en chantier sur le comportement à l'écaillage évalué en laboratoire. L'effet d'une membrane drainante à la base du moule et l'effet d'un mûrissement avec une toile de jute humide ou un agent de cure chimique a été étudié sur des mélanges binaires et ternaires contenant des cendres volantes, du laitier de haut-fourneau et de la fumée de silice en différentes proportions. Les résultats montrent que la méthode de mûrissement peut avoir un effet significatif sur le comportement à l'écaillage et que cette influence dépend très fortement de la composition du mélange. L'étude de la variabilité des résultats montre que la faible reproductibilité et la faible ré-pétabilité de l'essai d'écaillage n'est pas amplifiée par la présence d'ajouts cimentaires. Les résultats soulignent l'importance de tenir compte du comportement d'un ensemble d'éprouvettes pour déterminer la résistance à l'écaillage d'un béton en laboratoire. Des essais de sorptivité et de séchage ont été réalisés sur des surfaces identiques à celles soumises à l'essai d'écaillage dans le but de caractériser la couche de surface sujette à l'écaillage. Bien que les résultats de sorptivité obtenus lors de cette étude ne permettent pas de caractériser la couche superficielle, il semble exister un lien entre la sorptivité et l'écaillage. Il ne semble pas y avoir de relation entre l'essai de séchage et l'écaillage bien que cet essai ait permis de distinguer la couche superficielle des différents bétons. Ces observations portent à croire qu'une couche superficielle plus poreuse ne serait pas entiè-rement responsable de l'écaillage des bétons contenant des ajouts cimentaires.

Le domaine du génie civil subit en ce moment une transition technologique dans laquelle l'utilisation d'outils numérique et robotique permet l'amélioration des performances et l'optimisation de nombreux procédés. Le béton projeté ne fait pas exception à cette modernisation et c'est pourquoi il semble pertinent d'aller plus loin dans l'automatisation de ce procédé. Fort de ses connaissances en matière de béton projeté, le Laboratoire de béton projeté du CRIB de l'Université Laval a décidé de lancer la conception d'une technologie de béton projeté automatisé. Ce projet permettra d'aller plus loin dans la compréhension des phénomènes à l'œuvre lors de la projection de béton et aussi de développer une méthode innovante de fabrication de béton automatisée. La présente étude s'inscrit dans la continuité du développement d'une technologie de béton projeté réalisée à l'aide d'un bras robotisé et s'intéresse plus particulièrement à l'analyse des différentes stratégies de projection ainsi qu'à leur impact sur les phénomènes de rebond et la performance de mise en place. De plus, la réalisation d'une pièce bétonnée complexe à l'aide du système robotisé ainsi que la conception d'un module de vision numérique prototype a permis d'aller plus loin dans la conception et le développement de l'automatisation globale du système. Tout d'abord, l'utilisation du bras robotisé a permis de réaliser des campagnes d'essais visant à évaluer l'influence de l'angle de projection sur la quantité de rebonds, avec une répétabilité et une précision quasi impossible à atteindre manuellement. Les résultats fournis par ces essais ont permis d'étoffer les analyses précédentes portant sur l'impact des différents paramètres de projection sur le phénomène de rebond ainsi que de confirmer la pertinence de maintenir une orientation normale du jet de matériaux par rapport à la surface de projection afin de minimiser les pertes liées au rebond. La seconde étape de ce projet a consisté à réaliser de façon automatique un essai de certification de lancier normalisé à l'aide du bras robotisé. Pour cela, les efficacités de différentes stratégies de projection ont été explorées dans le but de remplir au mieux un panneau de certification contenant des barres d'armature. Une trajectoire spécifique a permis de valider l'essai en réalisant automatiquement un panneau où l'intégralité des barres d'armatures était correctement enrobée. Enfin, la fabrication autonome d'une pièce bétonnée à géométrie complexe a été menée à bien au cours d'un projet preuve de concept multidisciplinaire. Cette réalisation a permis de mettre en pratique de façon concrète les connaissances acquises lors des essais précédents, de prouver le potentiel de fabrication innovante de la technologie de béton projeté et enfin, d'amorcer les réflexions portant sur les étapes nécessaires à l'amélioration de l'automatisation du système. Le fruit de ces réflexions a mené à la conception préliminaire d'un outil de vision numérique ainsi qu'à une proposition du fonctionnement global du système et de l'organisation de ces différents modules. / The field of civil engineering is currently undergoing a technological transition where the use of digital and robotic tools allows for improvements of performance and optimization of many processes. Shotcrete is no exception to this modernisation and this is why it seems relevant to go further in the automation of this process. With its expertise in the field of shotcrete, the Shotcrete Laboratory of the CRIB of Laval University has decided to launch the design of an automated shotcrete technology. This project will allow to further explore the phenomenon involved in concrete spraying and also to develop an innovative method of automated concrete manufacturing. The present study is part of a project developing a sprayed concrete technology using a robotic arm. The study focuses on the analysis of the different spraying strategies and their impact on the rebound phenomenon as well as placement performance. Moreover, the realization of a complex concrete element using the robotic system and the design and development of a prototype digital vision module allowed to go further in the development of the global automation of the system. First of all, the use of the robotic arm made it possible to carry out test campaigns aimed at evaluating the influence of the angle of spraying on the quantity of rebound, with a repeatability and a precision almost impossible to reach manually. The results provided by these tests have expanded the previous analyses on the impact of the various projection parameters on the rebound phenomenon. They also confirmed the relevance of maintaining a normal orientation of the material spray over the receveing surface in order to minimize the rebound. The second step of this project consisted in carrying out, automatically, a standardized test of nozzleman certification by using the robot arm. For this purpose, the efficiency of different spraying strategies was explored in order to fill a certification panel containing reinforcing bars as well as possible. A specific trajectory was used to validate the test and produced a panel where all the reinforcing bars were correctly embedded. Finally, the automatic fabrication of a concrete element with a complex geometry was successfully achieved during a multidisciplinary proof-of-concept project. This realization allowed to put into practice the knowledge acquired during the previous tests, to prove the potential of innovative manufacturing of the shotcrete technology and finally, to initiate the reflections on the steps necessary to improve the automation of the system. The outcome of these reflections led to the preliminary design of a numerical vision tool as well as a proposal for the global working of the system and the organization of its different modules.

S'inscrivant dans une problématique actuelle du génie civil relative aux phénomènes implicites à la durabilité des structures réparées en béton, cette étude se propose d'analyser le comportement des bétons de réparation en situation de mouvement empêché. Aux fins de l'investigation, les bétons autoplaçants (BAP) ont été ciblés pour le programme expérimental, étant donné qu'ils manifestent un bon comportement face à la fissuration, comme le révèlent les études des dernières années. Ainsi, un protocole expérimental comportant deux volets principaux a été élaboré. Le premier volet consiste à évaluer l'influence des paramètres de composition (ajouts minéraux, chimiques et organiques) sur la tendance à la fissuration des bétons étudiés. Cette étape comprend une campagne d'essais ciblée dont l'objectif est d'établir une corrélation entre les propriétés individuelles du matériau (résistance à la traction, module élastique, retrait, fluage) et son comportement en conditions de mouvement restreint. Le deuxième volet compte, quant à lui, une série d'essais visant à préciser et à comprendre l'impact de la température de mûrissement sur les propriétés individuelles, ainsi que sur le comportement du béton en situation de retrait restreint. La réalisation des deux volets expérimentaux a nécessité la préparation de près de 10000 litres de béton en laboratoire. Exploitant les résultats recueillis dans le cadre du programme expérimental, l'analyse est orientée vers le développement d'ime méthode de calcul pour l'évaluation quantitative de la compatibilité voluinétrique et de la sensibilité à la fissuration des matériaux de réparation en fonction de leurs propriétés individuelles. Le bilan de cette recherche permet, pour les matériaux utilisés dans les conditions établies en laboratoire, d'entrevoir une concordance entre l'approche quantitative théorique avancée et les résultats expérimentaux. Toutefois, l'approche en question nécessite d'être développée davantage afin de prendre en considération d'autres paramètres et ce, en vue de définir les critères de performance des matériaux de réparation en conditions de retrait restreint. Ainsi, l'approche théorique évaluant la performance (en tenues de compatibilité) des bétons en fonction de leurs propriétés individuelles contribuera, dans la pratique, au développement des matériaux de réparation à faible sensibilité à la fissuration.

La recherche dans le domaine des matrices cimentaires nouvelles est très active aujourd’hui et elle s’intéresse à divers aspects comme les temps de prises contrôlés, le développement des résistances mécaniques rapide ou encore la rhéologie adaptée. Des études récentes ont permis de mettre de l’avant de nouveaux systèmes cimentaires non traditionnels, incorporant des ciments d’aluminate de calcium, de phosphate de magnésium, de sulfoaluminate de calcium ou encore un mélange de plusieurs bases cimentaires. Les matrices à base de ciment Portland (OPC), de ciment d’aluminate de calcium (CAC) et de sulfate de calcium ( ̅) ont démontré un développement des résistances mécaniques en bas âge très rapide. Cependant, ce type de liant mélangé présente des problèmes de maniabilité rendant ce système difficilement compatible avec le béton coulé en place. Le premier objectif de ce projet vise à contourner ce problème en utilisant le béton projeté par voie sèche comme méthode de mise en place. En effet, puisque le contact eau-ciment survient immédiatement avant la mise en place, le problème de la maniabilité déficiente est évité. Il faut cependant rester vigilant car les mélanges OPC-CAC- ̅ présentent un comportement expansif incontrôlé s’ils sont mal proportionnés. En parallèle à cet objectif de hautes résistances mécaniques à jeune âge, un paramètre d’étude additionnel est l’incorporation de fibres au mélange de béton projeté par voie sèche afin d’atteindre un comportement en flexion de type écrouissant. Les résultats obtenus démontrent qu’il est possible de mettre au point un mélange de béton projeté par voie sèche basé sur une matrice OPC-CAC- ̅ qui permet une projection avec un équipement de projection conventionnel. Un béton projeté ayant une résistance d’environ 10 MPa à 1h, 30 MPa à 3h et atteignant sa résistance finale de 50 MPa en une seule journée a été produit dans le cadre de ce projet. Cependant, cette étude met également de l’avant la grande variabilité et sensibilité de ces matrices ternaires. Une variation d’aussi peu que 1,5% de la teneur en sulfate de calcium peut engendrer des variations de résistances en compression de près de 20 MPa. La mise en place de béton projeté par voie sèche à haut volume de fibre s’est avérée impossible avec l’équipement utilisé. / Research in the field of emerging cementitious materials is very active nowadays and is focusing on various aspects such as controlled setting time, rapid strength gain and adapted rheology. Recent studies have brought forward non-traditional cementitious material systems, incorporation calcium aluminate cement, magnesium phosphate cement, calcium sulfoaluminate cement or blends of several cements. Blended cements composed of ordinary Portland cement (OPC), calcium aluminate cement (CAC) and calcium sulphate ( ̅) have shown very rapid gain in early mechanical strength. However, this type of blended binder also exhibits very difficult workability that limits its use in regular cast in-place concrete applications. The first objective of this research project is to bypass this problem using dry-mix shotcrete as a placement method. Since the contact of water-cement occurs immediately before the placement, workability problem are avoided. However, the use of these binders requires vigilance because the OPC-CAC- ̅ mix may show an uncontrolled expansive behaviour if incorrectly formulated. To complement this objective of high early-strength, an additional study parameter is the possible incorporation of fibres in dry-mix shotcrete in order to obtain a flexural strain-hardening behaviour. Results show that it is possible to design a dry-mix shotcrete based on OPC-CAC- ̅ binder that allows proper placement with conventional shotcrete equipment. A shotcrete with a compressive strength of 10 MPa at 1h, 30 MPa at 3h and reaching its final strength of 50 MPa in a single day has been produced in this project. However, this study also brings forward the variability and sensitivity of this kind of binder. A variation as low as 1,5% of the calcium sulphate content can create a variation in the compressive strength of nearly 20 MPa. The placement of dry-mix shotcrete containing high volume of fibres was unfortunately impossible with the equipment used.

Titre de l'écran-titre (visionné le 2 mai 2023) / Les bétons renforcés de fibres à ultra-hautes performances (BFUP) sont une nouvelle classe de composites de ciment aux propriétés mécaniques et de durabilité exceptionnelle qui inspirent la créativité architecturale, tout en prolongeant la durée de vie des bâtiments et des structures. Cette thèse vise à introduire de nouveau BFUP écologique avec des structures à faible teneur en ciment et des outils avancés pour tenir compte des défis industriels qui limitent l'utilisation du BFUP, en particulier l'architecture de formes complexes, telles que la distribution des fibres. Premièrement, les propriétés mécaniques d'un nouveau BFUP écologique à faible teneur en ciment qui a été récemment développé à l'Université Laval seront caractérisées dans cette étude en mettant l'accent sur des essais d'extraction et des essais de flexion. Ensuite, nous couplons la méthode d'inductance magnétique (MIM) et la méthode des éléments finis (FEM) pour tenir compte de la distribution des fibres afin de prédire le comportement en traction et en flexion du BFUP avec différentes distributions de fibres. Une vaste campagne expérimentale a été menée sur le test d'arrachement de fibre unique, le test de traction directe et le test de flexion à quatre points sur des éléments architecturaux aux formes complexes. Les méthodes de moulage ont également été variées pour comprendre l'effet de la distribution et de l'orientation des fibres. Sur la base des résultats présentés, ce travail a développé et validé avec succès un outil MIM-FEM pour prédire le comportement en traction du BFUP en tenant compte de la distribution non uniforme des fibres. En particulier, les éléments complexes de X-connexion d'un projet de passerelle futuriste pour le Québec sont utilisés pour évaluer les outils développés et leurs limites. Le présent travail offre une nouvelle direction pour favoriser les projets d'applications de BFUP au Québec pour améliorer leur fiabilité contre la distribution de fibres ainsi que pour introduire de nouveau BFUP à faible émission de carbone. / Ultra-High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) are a new class of cement composites with outstanding mechanical and durability properties which inspires architectural creativity, while extending the life of buildings and structures. This thesis aims to introduce novel ecological UHPFRC with low cement structures and advanced tools to account for industrial challenges which limit the use of UHPFRC, especially architecture of complex forms, such as the fiber distribution. Firstly, the mechanical properties of a new ecological UHPFRC with low cement which was recently developed at Laval Université will be characterized in this study with emphasis on pull-out tests and bending tests. Then, we couple the magnetic inductance method (MIM) and Finite Element Methods (FEM) to account for the fiber distribution to predict the tensile and bending behavior of UHPFRC with different fiber distributions. A wide experimental campaign was carried out on single fiber pull-out tests, direct tensile tests and four-point bending tests, along with bending tests on architectural elements with complex shapes. The casting methods were also varied to understand the effect of fiber distribution and orientation. Results from this work show the successful development and validation of MIM-FEM tool to predict the tensile UHPFRC behavior by considering a non-uniform fiber distribution. In particular, the complex X-connection elements of a futuristic footbridge project for Quebec is used to evaluate the tools developed and their limitations. The present work opens a new direction to foster UHPFRC applications projects in Quebec to enhance their reliability against the fiber distribution effects as well as for introducing novel UHPFRC with low carbon.